吳曉丹, 宋金明, 李學(xué)剛, 袁華茂, 張 默

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京100039)

海洋溢油油膜厚度影響因素理論模型的構(gòu)建

吳曉丹1,2, 宋金明1, 李學(xué)剛1, 袁華茂1, 張 默1,2

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院,北京100039)

溢油擴(kuò)展過程中油膜厚度的準(zhǔn)確獲得是進(jìn)行溢油量估算和損失評(píng)估中需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題, 通過揭示溢油擴(kuò)展中油膜厚度的理論變化特征來(lái)獲得油膜厚度隨溢油性質(zhì)和海洋環(huán)境條件變化的定量關(guān)系, 構(gòu)建海洋溢油油膜厚度影響因素理論模型, 對(duì)溢油量估算至關(guān)重要。依據(jù)Lehr提出的油膜橢圓擴(kuò)展模型構(gòu)建了油膜厚度隨溢油性質(zhì)和海洋環(huán)境條件變化的定量關(guān)系, 剖析了溢油擴(kuò)展過程中油膜厚度的變化特征。油膜厚度在溢油發(fā)生后最初 2小時(shí)內(nèi)會(huì)迅速減小, 此后衰減速度逐漸減小直至趨于穩(wěn)定。對(duì)于原油來(lái)說(shuō), 通常在6～7h內(nèi)會(huì)達(dá)到最小油膜厚度, 擴(kuò)展終止。溢油密度對(duì)油膜厚度的影響表現(xiàn)為密度大的溢油初始厚度大, 達(dá)到平衡的時(shí)間也較長(zhǎng); 風(fēng)速對(duì)于油膜擴(kuò)展的影響巨大, 風(fēng)速越大越有利于油膜的擴(kuò)展, 油膜厚度越小; 溫度也通過影響溢油油膜密度來(lái)影響油膜厚度的變化, 一定范圍內(nèi), 高溫促進(jìn)油膜的擴(kuò)展, 加快油膜厚度的變化速度。除溢油密度、風(fēng)速和溫度外, 溢油方式、海流、潮汐和溢油時(shí)間等因素也會(huì)影響油膜厚度的變化。

溢油; 擴(kuò)展; 油膜厚度; 變化特征; 影響因素

近年來(lái), 隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展, 海上石油的開采與運(yùn)輸成為獲取能源的重要途徑, 海洋溢油時(shí)有發(fā)生, 導(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)的毀滅性破壞, 海上溢油已成為近海生態(tài)環(huán)境惡化的重要因素, 成為主要的海洋災(zāi)害之一。溢油進(jìn)入海洋水體后, 會(huì)迅速向四周擴(kuò)展形成油膜。在發(fā)生溢油最初的數(shù)小時(shí)內(nèi), 擴(kuò)展是溢油最為主要的動(dòng)態(tài)過程。溢油事故發(fā)生后油膜的擴(kuò)展主要受流場(chǎng)、風(fēng)應(yīng)力和隨機(jī)擴(kuò)散的影響, 其他還受沉降、降解和乳化等物理化學(xué)過程的影響[1], 隨著溢油擴(kuò)展的進(jìn)行, 油膜面積不斷擴(kuò)大, 油膜厚度逐漸減小。

油膜厚度是估算溢油量的關(guān)鍵參數(shù), 同時(shí)也是應(yīng)對(duì)溢油事故特別是制定溢油控制措施和評(píng)估分散劑性能必須知道的重要指標(biāo), 油膜厚度變化過程的解析對(duì)于闡明油膜擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)機(jī)理也具有重要意義[2]。

目前, 常用的獲得海洋油膜厚度的方法主要有兩種。一是將海面油膜板塊化, 確定不同區(qū)域的油膜厚度。確定方法包括油色目測(cè)法和遙感測(cè)油法, 前者是利用油膜色彩對(duì)應(yīng)的油膜厚度關(guān)系來(lái)估算油膜厚度[3,4], 此法受評(píng)估人主觀影響大, 還受不同光線和色彩背景條件影響, 因此評(píng)估結(jié)果存在很大誤差;后者是依據(jù)油膜在不同光譜區(qū)反射、散射、吸收不同的特征, 選擇適當(dāng)?shù)墓庾V區(qū)來(lái)估算溢油油膜厚度[5]。利用遙感技術(shù)估測(cè)油膜厚度還有許多技術(shù)難題, 尤其是天氣條件、非油膜水色干擾等極大限制了其準(zhǔn)確性[6]。

另一種獲得油膜厚度的方法是通過建立溢油擴(kuò)展模型, 利用油膜擴(kuò)展數(shù)學(xué)模型來(lái)估算油膜的厚度,目前這種方法應(yīng)用不多。在所有溢油擴(kuò)展模型中, 應(yīng)用最多的是Fay模型及其改進(jìn)型。Fay[7]針對(duì)油在水面的實(shí)際受力情況, 首先提出平靜海面油膜為圓形擴(kuò)展, 提出了油膜擴(kuò)展經(jīng)歷的重力-慣性力平衡、重力-黏性力平衡和表面張力-黏性力平衡三個(gè)階段。它的前提是海面平靜, 忽略海流、風(fēng)、波等的影響, 在大體積溢油擴(kuò)展中, 油的性質(zhì)不變, 垂向平衡, 在平靜的水面上, 油膜擴(kuò)展始終保持圓形, 擴(kuò)展范圍可以用直徑來(lái)衡量。Fay溢油擴(kuò)展模型顯然與實(shí)際海況有明顯的差異, 也必然帶來(lái)油膜厚度估算的很大誤差。Mackay在 Fay溢油擴(kuò)展模型中加入了風(fēng)的影響,分別建立了厚油膜和薄油膜的擴(kuò)展方程[8]。Elliott 等[9]的研究表明, 不僅風(fēng)而且由海流引起的湍流對(duì)油膜擴(kuò)展都具有重要作用, 同時(shí)溢油本身性質(zhì)(如黏度和密度等)變化也會(huì)對(duì)溢油擴(kuò)展產(chǎn)生影響。Lehr等[10,11]對(duì) Fay溢油擴(kuò)展模型進(jìn)行了修正, 考慮了流場(chǎng)及風(fēng)場(chǎng)對(duì)油膜擴(kuò)展的影響, 認(rèn)為油膜在海洋中的擴(kuò)散不是圓形而是橢圓形的, 長(zhǎng)軸方向與風(fēng)向一致。這就是油膜橢圓擴(kuò)展模型, 該模型比較實(shí)際地反映了油膜在風(fēng)向上拉長(zhǎng)的現(xiàn)象。表面流的剪切力使得油膜延伸擴(kuò)展, 僅僅微風(fēng)也將導(dǎo)致順風(fēng)向上油膜厚度較厚[12]。MIT模式在 Fay傳統(tǒng)模式的基礎(chǔ)上, 考慮了油膜自身特征所致的擴(kuò)展以及環(huán)境動(dòng)力形成的油膜分散,建立了油膜擴(kuò)展分散微分方程。

本文以Fay模型為基礎(chǔ), 轉(zhuǎn)化Lehr 等[13]油膜橢圓擴(kuò)展模型表達(dá)式, 并考慮到溫度的影響, 建立了油膜厚度隨溢油性質(zhì)和海洋環(huán)境條件變化的定量關(guān)系式, 據(jù)該關(guān)系式逐因素分析了溢油擴(kuò)展過程中油膜厚度的變化, 總結(jié)了影響油膜擴(kuò)展的主要因素,構(gòu)建了海洋溢油油膜厚度影響因素理論模型, 這對(duì)確定一種比較準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)且全天候的海洋油膜厚度獲取方法, 最終獲取溢油量具有重要科學(xué)意義和實(shí)際價(jià)值。

1 海洋溢油油膜橢圓擴(kuò)展模型

Fay[7]根據(jù)海面油膜所受的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)力和阻力的情況, 將油膜擴(kuò)展過程分為 3個(gè)階段, 分別為重力－慣性力階段, 重力–黏性力階段和表面張力–黏性力階段。除了在特大型的溢油事故中, 重力–慣性力階段將僅僅持續(xù)幾分鐘, 而在最后的表面張力–黏性力階段, 油膜已經(jīng)大部分發(fā)生風(fēng)化分散至水體或是破裂成碎片。因此, 估算溢油量要著重考慮中間的重力–黏性力階段, 此階段的擴(kuò)展公式可表述為：

其中,S為油膜面積,g為重力加速度,V為初始油膜體積,t為溢油時(shí)間,νw為水動(dòng)力黏度,ρo為油的密度,ρw為水的密度,k為常數(shù)。根據(jù)上述公式可估計(jì)被觀察區(qū)域的初始溢油量, 但現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)[14,15]表明 Fay模型低估了油膜的增長(zhǎng), 因此估算的溢油量并不準(zhǔn)確。

Fay模型之所以準(zhǔn)確性差是因?yàn)樗墙⒃诩僭O(shè)平靜海面上油膜以圓形擴(kuò)展的前提下的。而在實(shí)際溢油中, 環(huán)境條件對(duì)溢油面積和油膜形狀有重要的影響, 其中風(fēng)就是一個(gè)重要的因素?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明,油膜在海洋中的擴(kuò)散往往不是圓形而是橢圓形的 ,長(zhǎng)軸方向與風(fēng)向一致。

Lehr 等[13]以 Fay模型為基礎(chǔ)加上了風(fēng)的影響,修訂了Fay擴(kuò)展方程, 建立油膜橢圓擴(kuò)展模型：

其中,Q和R分別為橢圓形油膜的長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度。假定W=0, 可以得出β=1/3,γ=1/4。通過經(jīng)驗(yàn)得到其他常數(shù)分別為α=1/3,δ=4/3,ξ=3/4,C1=1.7,C2=0.03。

綜合式(2)(3)(4), 得 Lehr 油膜橢圓擴(kuò)展模型總表達(dá)式：

其中, 溢油面積S的單位為103平方米, 風(fēng)速W的單位為節(jié), 溢油體積V的單位為桶, 溢油時(shí)間t的單位為分鐘。

本文對(duì) Lehr 油膜橢圓擴(kuò)展模型總表達(dá)式(5)形式進(jìn)行如下轉(zhuǎn)化：

將油膜厚度(h)作為參數(shù)引入到定量表達(dá)式中,并在式中考慮到溫度對(duì)溢油密度的影響[16]：

綜合式(5)(6)(7)(8), 推導(dǎo)得本文所建油膜厚度隨溢油性質(zhì)(密度、溢油類型)和海洋環(huán)境條件(風(fēng)速、溫度)等變化的定量關(guān)系式：

其中, 溢油面積S的單位為平方米, 風(fēng)速W的單位為米/秒, 溢油時(shí)間t的單位為分鐘, 油膜厚度h的單位為米,ρo,ρw單位為克/立方厘米,ρo,T為對(duì)應(yīng)溫度T(oC)時(shí)的原油密度, 單位為 g/cm3,x1為與密度有關(guān)的模數(shù), INT是取整函數(shù)。

式(9)即為本文所構(gòu)建海洋溢油油膜厚度影響因素理論模型, 該式基于Lehr 油膜橢圓擴(kuò)展模型總表達(dá)式(5), 通過轉(zhuǎn)化表達(dá)方式引入?yún)?shù)油膜厚度(h)獲得。較Lehr 油膜橢圓擴(kuò)展模型, 除另考慮到了溫度的影響外, 海洋溢油油膜厚度影響因素理論模型還更加直觀地反映了海洋溢油油膜厚度與風(fēng)速、溢油密度等因素的定量關(guān)系, 為將來(lái)確定比較準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)且全天候的海洋油膜厚度獲取方法提供重要科學(xué)依據(jù)。

2 溢油油膜的擴(kuò)展特征與厚度的變化

2.1 油膜厚度隨時(shí)間變化的基本特征

油膜擴(kuò)展到一定程度后會(huì)停止擴(kuò)展, 其原因是凈擴(kuò)展系數(shù)σ由正值變?yōu)樨?fù)值, 因此σ變化的快慢是決定油膜擴(kuò)展最終厚度的因素。然而判斷σ的變化并不是一件簡(jiǎn)單的事情, 首先因?yàn)棣抑凳怯梢缬椭袠O低濃度的表面活性劑決定的; 其次原油是由各種不同組分組成, 各自具有不同的σ值、不同的揮發(fā)性和溶解性; 再次海水的溫度、鹽度和其他的生物特征在一定程度上也影響σ值[17]。研究表明, 當(dāng)原油擴(kuò)展的最終油膜厚度達(dá)到0.01 cm, 汽油、煤油和輕質(zhì)柴油等最終油膜厚度達(dá)到0.001 cm時(shí), 擴(kuò)展過程將終止[18]。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明海面溢油呈橢圓形擴(kuò)展, 這是因?yàn)槿绻廴疚镞M(jìn)入到一個(gè)均勻的速度場(chǎng), 它們將會(huì)隨著流場(chǎng)均勻地平流且不發(fā)生變形, 然而由于流場(chǎng)空間上并不均勻, 速度具有梯度, 所以污染區(qū)域?qū)?huì)沿著主要風(fēng)速梯度方向延長(zhǎng)并且具有明顯增大的擴(kuò)散系數(shù)。Jeffery[19]報(bào)道, 油膜的長(zhǎng)軸在4天內(nèi)隨著時(shí)間線形增長(zhǎng), 而短軸在最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)迅速增長(zhǎng),之后趨于穩(wěn)定。Cormack[20]結(jié)果表明, 油膜短軸長(zhǎng)度和 Fay公式預(yù)測(cè)的結(jié)果基本一致, 而長(zhǎng)軸長(zhǎng)度則是預(yù)測(cè)的10倍之多。Elliott 等[10]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 長(zhǎng)軸隨時(shí)間線形增長(zhǎng), 而短軸在前 20 min迅速增長(zhǎng), 此后幾乎趨于穩(wěn)定不增長(zhǎng)狀態(tài)。影響油膜擴(kuò)展的因素很多, 其中風(fēng)速是決定長(zhǎng)軸增長(zhǎng)的最主要的因素,風(fēng)不僅可以產(chǎn)生垂直剪切也可以決定浪高, 影響產(chǎn)生的油滴尺寸。密度、黏度和表面張力等因素也將影響油滴尺寸和增長(zhǎng)速度。

從前人的研究不難看出, 橢圓形油膜的短軸會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)迅速增長(zhǎng), 然后趨于穩(wěn)定; 而長(zhǎng)軸則會(huì)在擴(kuò)展終止前不斷增長(zhǎng)。據(jù)此可以推知, 油膜面積會(huì)在短時(shí)間內(nèi)增長(zhǎng)很快, 之后增長(zhǎng)趨于緩慢, 相應(yīng)的, 油膜厚度在最初一段時(shí)間內(nèi)會(huì)迅速減少, 之后緩慢減小, 最后擴(kuò)展至最小的油膜厚度。

圖1是根據(jù)式(9)獲得的海上溢油油膜厚度(h)隨時(shí)間(t)變化的關(guān)系, 其前提是針對(duì)T=20°C, 原油ρo,T= 0.950 g/cm3,ρw=1.03 g/cm3,w=5 m/s,s=106m2。

圖1 海上溢油油膜厚度隨時(shí)間變化Fig. 1 Variation of oil-membrane thickness with the time

溢油發(fā)生的前30 min, 海面油膜處于不穩(wěn)定期,在此不考慮其油膜厚度的變化特征。圖2是根據(jù)圖1將溢油的前 10 h分為30～120 min、120～240 min、240～360 min、360～480 min、480～600 min 五段考慮了的油膜厚度的衰減速度。

圖2 海洋溢油油膜厚度衰減速率曲線Fig. 2 Decreasing rate for oil-membrane thickness of oil spill

圖1表明, 油膜厚度隨著溢油時(shí)間的流逝不斷減小, 結(jié)合圖2, 油膜厚度在前 2h的衰減速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后面幾個(gè)小時(shí), 因此可推知在溢油發(fā)生后2h內(nèi)油膜厚度迅速減小, 這是因?yàn)檫@一階段橢圓形油膜的短軸迅速增加, 使得油膜面積迅速增加, 從而油膜厚度會(huì)迅速變小; 而在2h以后油膜厚度的衰減速度逐漸減少并趨于穩(wěn)定, 這是因?yàn)榇藭r(shí)橢圓形油膜的短軸基本上不變, 而長(zhǎng)軸線形增加。如果原油擴(kuò)展油膜厚度到 0.01 cm 時(shí)不再擴(kuò)展, 那么ρo=0.950 g/cm3原油油膜的擴(kuò)展將在6～7 h后趨于平衡。

2.2 不同條件下海上溢油油膜厚度的變化特征

2.2.1 不同油密度油膜厚度的變化

依據(jù)公式(9),如果T=20°C,ρw=1.03 g/cm3,W=5m/s,S=106m2, 改變溢油密度ρo,T=0.965 g/cm3(重油),ρo,T=0.950 g/cm3(原油),ρo,T=0.925 g/cm3(柴油)下油膜厚度隨著時(shí)間的變化曲線, 如圖3所示。

圖3 不同密度溢油油膜厚度隨時(shí)間變化Fig. 3 Variation of oil-membrane thickness for different densities of oils

圖3表明密度對(duì)于油膜擴(kuò)展的速度影響不大,不同密度的溢油在海面中擴(kuò)展的趨勢(shì)基本一致, 只是密度較大的溢油初始油膜厚度會(huì)較大, 達(dá)到平衡的時(shí)間也較長(zhǎng)而已。

2.2.2 不同風(fēng)速溢油油膜厚度隨時(shí)間變化

依據(jù)公式(9), 如果T=20°C,ρo,T=0.950 g/cm3(原油),ρw=1.03 g/cm3,S=106m2, 改變風(fēng)速w=0 m/s,w=5 m/s,w=10 m/s條件下油膜厚度隨著時(shí)間的變化曲線, 如圖4所示。

以往研究表明, 溢油長(zhǎng)期擴(kuò)展的主要因素是油膜和水表面的風(fēng)力, 油膜運(yùn)動(dòng)速度大約為水表面10m以上風(fēng)速的3%。圖4也很好地驗(yàn)證了這一結(jié)論,當(dāng)w=0時(shí), 油膜厚度的變化較w=5m/s,w=10m/s時(shí)顯然要慢得多, 這也表明之前的理論中假定油膜只是在平靜水面上的擴(kuò)展是片面的, 風(fēng)速對(duì)于油膜擴(kuò)展的影響是不容忽視的。風(fēng)速越大越有利于油膜的擴(kuò)展, 這是因?yàn)轱L(fēng)速是決定長(zhǎng)軸增長(zhǎng)的最主要的因素,風(fēng)不僅可以產(chǎn)生垂直剪切也可以決定浪高, 影響產(chǎn)生的油滴尺寸[10], 大油滴能夠很快擴(kuò)展而小油滴則比較緩慢[12]。

圖4 不同風(fēng)速條件下溢油油膜厚度隨時(shí)間變化Fig. 4 Variation of oil-membrane thickness for different wind speeds

2.2.3 不同溫度溢油油膜厚度隨時(shí)間變化

依據(jù)公式(7), (8), (9), 如果ρo,20=0.950 g/cm3(原油),ρw=1.03 g/cm3,S=106m2,改變溫度T=10°C,T=20°C,T=30°C 條件下油膜厚度隨著時(shí)間的變化曲線, 如圖5所示。

圖5 不同溫度條件下溢油油膜厚度的變化Fig. 5 Variation of oil-membrane thickness for different temperatures

海洋水體溫度會(huì)影響溢油密度的變化, 進(jìn)而影響海面油膜的擴(kuò)展。圖5中不難看出, 高溫會(huì)加快油膜的擴(kuò)展, 使得溢油迅速鋪展在海面上達(dá)到油膜擴(kuò)展的最小厚度。除了通過改變溢油密度來(lái)影響油膜擴(kuò)展外, 溫度還會(huì)影響包括蒸發(fā)、乳化在內(nèi)的風(fēng)化過程, 這些過程也會(huì)引起油膜厚度的變化。

圖3、圖4、圖5表明, 溢油密度、風(fēng)和溫度均是油膜厚度變化的影響因素, 根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和上述分析, 溫度只是會(huì)影響溢油的密度, 而密度只是會(huì)影響溢油擴(kuò)展的初始厚度和達(dá)到擴(kuò)展所需要的時(shí)間, 風(fēng)速應(yīng)是對(duì)油膜厚度變化影響最大的因素, 圖4中可明顯看出, 風(fēng)的加入大大地加快了油膜擴(kuò)展的速度, 同時(shí)風(fēng)速越大, 越利于擴(kuò)展。通過認(rèn)識(shí)風(fēng)對(duì)油膜擴(kuò)展重要性, 可以提高油膜厚度估算的準(zhǔn)確性, 并且可以根據(jù)實(shí)際海況制定合理的處理溢油的措施。

3 擴(kuò)展中影響油膜厚度的其他因素

影響油膜擴(kuò)展的因素也必將相應(yīng)的影響油膜厚度的變化。API的研究表明海洋環(huán)境要素會(huì)影響溢油的擴(kuò)展過程。根據(jù)前人研究和上述應(yīng)用推導(dǎo)的油膜厚度的表達(dá)式繪制的圖形, 影響油膜厚度的因素除油種、風(fēng)速和溫度外, 還有以下幾個(gè)方面：

(1)溢油方式。常見的溢油方式主要有瞬時(shí)溢油與連續(xù)溢油兩種。在連續(xù)溢油方式下, 后期入水溢油的加入會(huì)對(duì)前期入水溢油的擴(kuò)展過程產(chǎn)生影響, 而瞬時(shí)溢油則沒有這種情形, 因?yàn)槊恳徊糠侄家?jīng)歷相同的過程[12]。從溢油方式不同的結(jié)果來(lái)看, 連續(xù)溢油的擴(kuò)展尺度比同條件下瞬時(shí)溢油的擴(kuò)展尺度要大。而實(shí)際溢油事故多為在一定時(shí)段內(nèi)的連續(xù)溢油,無(wú)論在有風(fēng)或無(wú)風(fēng)時(shí), 它的影響范圍都大于瞬時(shí)溢油。

(2)風(fēng)生海流。通過風(fēng)水槽溢油實(shí)驗(yàn), 研究了不同風(fēng)、水流組合情況下溢油的擴(kuò)展情況。結(jié)果表明,風(fēng)與水流同向時(shí), 風(fēng)速的變化對(duì)于瞬間溢油油膜的擴(kuò)展尺度影響很小, 對(duì)連續(xù)溢油油膜的擴(kuò)展尺度隨風(fēng)速增加而增加; 風(fēng)與水流反向時(shí), 油膜的擴(kuò)展尺度與風(fēng)速和水流速度之間的相對(duì)大小有關(guān)[21]。

(3)潮汐。通過帶吹風(fēng)的潮汐水槽中的溢油試驗(yàn)及分析, 發(fā)現(xiàn)溢油在非定常的潮汐水流中的擴(kuò)展易受潮流變化的影響。在無(wú)風(fēng)條件下, 潮汐水流的周期變化對(duì)油膜的擴(kuò)展產(chǎn)生決定影響, 漲潮時(shí), 油膜常被壓縮, 而落潮時(shí), 油膜卻常被拉伸。油膜在紊動(dòng)水流、風(fēng)浪及漲、落潮波的作用下, 開始發(fā)生破碎, 破碎作用被卷入水中參與乳化或其他風(fēng)化過程中去。對(duì)于感潮溢油的預(yù)警來(lái)說(shuō), 切斷溢油源顯然是控制影響范圍的首要措施, 其次在漲潮階段對(duì)溢油盡快進(jìn)行搶險(xiǎn)回收(因此時(shí)油膜被壓縮較厚)可減小作業(yè)難度[22]。

(4)溢油時(shí)間。溢油時(shí)間的不同會(huì)使油膜的擴(kuò)展處于不同的階段, 有不同的力起主導(dǎo)作用, 所以這也是一個(gè)影響因素, 各個(gè)階段的大致時(shí)間可以根據(jù)Fay三階段的兩相鄰階段擴(kuò)展直徑相等的條件來(lái)確定。

4 結(jié)語(yǔ)

溢油進(jìn)入海洋環(huán)境后經(jīng)過擴(kuò)展過程, 油膜表面面積變大, 但厚度相應(yīng)變小。平靜海面上, 油膜呈圓形擴(kuò)展, 并將依次經(jīng)歷重力-慣性力階段, 重力-黏性力階段和表面張力-黏性力階段, Fay和Blokker提出了最為廣泛的擴(kuò)展公式, 而實(shí)際結(jié)果表明, Fay理論得出的結(jié)果大大低估了油膜的實(shí)際增長(zhǎng)。然而實(shí)際溢油條件并非發(fā)生在平靜海面上, 在假設(shè)擴(kuò)展油膜形狀為橢圓形且長(zhǎng)軸方向與風(fēng)向方向一致的前提下, 考慮到風(fēng)速等的影響后取得了較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。本文根據(jù)前人研究和Lehr提出的油膜橢圓擴(kuò)展模型中的方程建立了油膜厚度隨溢油性質(zhì)和海洋環(huán)境條件變化的定量關(guān)系, 總結(jié)了影響油膜擴(kuò)展的因素主要有油種、風(fēng)速、溫度、溢油方式、風(fēng)生海流、潮汐和溢油時(shí)間等, 其中風(fēng)速可能是影響油膜擴(kuò)展的最主要的因素, 這些因素也將相應(yīng)影響油膜厚度的變化。然而國(guó)內(nèi)外大量研究主要考慮海洋流場(chǎng), 對(duì)于風(fēng)環(huán)境要素采用簡(jiǎn)單的參數(shù)化方法計(jì)算, 使得風(fēng)場(chǎng)在時(shí)間(通常采用一常量或幾小時(shí)一次)和空間(通常全場(chǎng)采用均一的數(shù)值)的分辨率不夠, 影響預(yù)測(cè)效果,特別是當(dāng)溢油事故發(fā)生在惡劣的天氣條件下, 其預(yù)測(cè)效果更得不到保證, 而且有必要加強(qiáng)海浪對(duì)溢油擴(kuò)展的影響研究, 以提高溢油預(yù)報(bào)精度。

以上溢油擴(kuò)展油膜厚度的理論模型主要考慮了風(fēng)速、溫度等因素的影響, 而且模型的解涉及到的參數(shù)繁多, 在實(shí)際情況下, 為在較短時(shí)間內(nèi)獲得溢油量, 需要快速給出溢油油膜厚度, 所以應(yīng)對(duì)溢油擴(kuò)展油膜厚度模型結(jié)果中的繁雜參數(shù)通過模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)訂正予以簡(jiǎn)化, 同時(shí)還應(yīng)考慮其他的物理、化學(xué)和生物等復(fù)雜過程對(duì)溢油油膜厚度的影響, 實(shí)現(xiàn)海上溢油油膜厚度的快速準(zhǔn)確獲得, 這是海洋溢油擴(kuò)展油膜厚度的理論模型研究下一步應(yīng)重點(diǎn)突破的關(guān)鍵科學(xué)問題。

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Construction of theoretical model for thickness of marine oil spilled

WU Xiao-dan1,2, SONG Jin-ming1, LI Xue-gang1, YUAN Hua-mao1, ZHANG Mo1,2
(1. Key laboratory of Marine Ecology & Environmental Science, Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. The Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing100039; China)

Aug. ,6, 2009

oil spill; spreading; oil-membrane thickness; variation characteristics; controlling factors

The exact data of oil-membrane spreading on the seasurface is the key scientific question in estimating the spilled quantity and assessing the damage. It is vital that establishing a quantitative relationship between oil slick thickness and spilled oil property as well as marine environmental conditions and constructing a theoretical model for the factors controlling thickness of marine oil spilled by revealing the variation characteristics for oil-membrane thickness.Based on the ellipse spreading model proposed by Lehr, the quantitative relationship was deduced in this article, which can analyze its variation characteristics. The result showed that thickness of oil film decreased sharply during the first two hours, and then the attenuation rate decreased gradually to a constant value. For crude oil, it needed 6～7h to reach the minimum thickness. Density of oil affected the initial thickness and extended the equilibrium time. However, wind speed had a great effect on the thickness of oil film. The higher wind speed was found to be beneficial to spreading, which made the thickness thinner. In addition, temperature influenced the variation of oil-membrane thickness by changing the density of oil spilled. Above all, higher temperature enhanced the spreading of oil spilled and speeds up the variation of oil-membrane thickness. Besides the factors of spilled oil density, wind speed and temperature, styles of oil spilled, current, tide and release time were still considered as the influence factors in the variation of oil-membrane thickness.

X55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3096(2010)02-0068-07

2009-08-06;

2009-11-10

國(guó)家海洋公益性項(xiàng)目(20080513); 國(guó)家海洋局海洋溢油鑒別與損害評(píng)估重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(200912)

吳曉丹(1985－), 女, 山東膠南人, 在讀研究生, 主要從事海洋生物地球化學(xué)研究, E-mail：xiaodanwuw@163.com; 宋金明, 通信作者, E-mail：jmsong@ms.qdio.ac.cn

張培新)